李 峻，余 政，李曉明，胡 帆，徐 林，張 杰

(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071)

東南沿海地區(qū)風(fēng)能資源豐富，資源品質(zhì)較好，風(fēng)電就近消納能力較強(qiáng)，是我國(guó)海上風(fēng)電發(fā)展的主要戰(zhàn)場(chǎng)之一，東南沿海地區(qū)同樣是我國(guó)熱帶氣旋影響最為頻繁的區(qū)域，登陸東南沿海地區(qū)的熱帶氣旋占登陸我國(guó)熱帶氣旋總數(shù)的70%以上。熱帶氣旋對(duì)東南沿海地區(qū)海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)有嚴(yán)重影響，主要表現(xiàn)在風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)排布、風(fēng)機(jī)選型、控制策略等方面。極值風(fēng)速是熱帶氣旋影響我國(guó)海上風(fēng)電場(chǎng)的最主要因素，張秀芝等[1]分析表明，近60年，影響我國(guó)近海海上風(fēng)電場(chǎng)的熱帶氣旋最大風(fēng)速等級(jí)達(dá)到IEC Ⅱ類的占12%，IEC Ⅰ類的占8%，超IEC I類的占1.2%。絕大部分海上風(fēng)電場(chǎng)尚未有臺(tái)風(fēng)過(guò)境時(shí)測(cè)風(fēng)資料，如何在觀測(cè)資料缺乏情況下，準(zhǔn)確評(píng)估熱帶氣旋影響下的風(fēng)電場(chǎng)極值風(fēng)速，對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)選型、風(fēng)機(jī)排布十分重要。

陸艷艷等[2]總結(jié)了海上風(fēng)電場(chǎng)50年一遇最大風(fēng)速計(jì)算方法，認(rèn)為5倍風(fēng)速法、風(fēng)壓法、5 d最大風(fēng)速法計(jì)算海上風(fēng)電場(chǎng)50年一遇最大風(fēng)速，可無(wú)需測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，但數(shù)值精確度不高；Gumbel方法需要測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)超過(guò)7年，否則其計(jì)算結(jié)果存在較大不確定性，實(shí)際工程中測(cè)風(fēng)時(shí)長(zhǎng)很難滿足要求；大風(fēng)過(guò)程相關(guān)法利用氣象站的最大風(fēng)速資料，與測(cè)風(fēng)塔建立相關(guān)求解風(fēng)場(chǎng)的極值風(fēng)速比較適用于海上風(fēng)電場(chǎng)的50年一遇最大風(fēng)速計(jì)算。隨著海上風(fēng)電場(chǎng)向深遠(yuǎn)海規(guī)劃，離岸較遠(yuǎn)，風(fēng)電場(chǎng)與沿海氣象站受不同天氣系統(tǒng)影響，風(fēng)場(chǎng)測(cè)風(fēng)資料與沿海氣象站大風(fēng)區(qū)間相關(guān)性不足，采用大風(fēng)過(guò)程相關(guān)法計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)50年一遇最大風(fēng)速適用性較差。

臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)模擬一直是風(fēng)工程和氣象學(xué)領(lǐng)域內(nèi)研究熱點(diǎn)之一，通過(guò)數(shù)值模擬手段，建立臺(tái)風(fēng)中心和臺(tái)風(fēng)影響范圍內(nèi)海上風(fēng)電場(chǎng)兩者之間的關(guān)系，準(zhǔn)確評(píng)估熱帶氣旋對(duì)于海上風(fēng)電場(chǎng)的影響，從而彌補(bǔ)觀測(cè)數(shù)據(jù)的缺失。工業(yè)界較為適用的臺(tái)風(fēng)模型有Batts模型、CE模型、Vickery模型、Georgiou模型。Batts模型[3]形式簡(jiǎn)單易于求解，但其求解完全基于經(jīng)驗(yàn)公式，效果較差且無(wú)法模擬風(fēng)向，Vickery[4]模型采用傅里葉級(jí)數(shù)對(duì)運(yùn)動(dòng)方程數(shù)值解進(jìn)行擬合求解，CE[5]模型則直接求解全非線性的動(dòng)量方程，兩個(gè)模型都需要借助數(shù)值差分方法求解，耗時(shí)較長(zhǎng)。Georgiou模型[6]是以梯度方程和Holland氣壓場(chǎng)為基礎(chǔ)，利用到Shapiro風(fēng)場(chǎng)模型的半理論半經(jīng)驗(yàn)臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)模型，在保證模擬效果的同時(shí)更具計(jì)算效率，適用于工業(yè)界進(jìn)行臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)模擬。本文通過(guò)搭建工程臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)Georgiou模型，采用中國(guó)氣象局上海臺(tái)風(fēng)所(CMA-STI)臺(tái)風(fēng)最佳數(shù)據(jù)集驅(qū)動(dòng)模型，模擬我國(guó)東南沿海地區(qū)近海、深遠(yuǎn)海海上風(fēng)電場(chǎng)不同重現(xiàn)期極值風(fēng)速，為近海、深遠(yuǎn)海海上風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)選型、風(fēng)荷載計(jì)算提供參考依據(jù)。

1 Georgiou臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)模型

1.1 臺(tái)風(fēng)關(guān)鍵參數(shù)

臺(tái)風(fēng)的發(fā)生與移動(dòng)路徑具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，成熟臺(tái)風(fēng)的風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)可由特征物理參數(shù)來(lái)描述。通過(guò)關(guān)鍵參數(shù)把握臺(tái)風(fēng)發(fā)生、移動(dòng)路徑等過(guò)程是描述臺(tái)風(fēng)的重要手段，臺(tái)風(fēng)的關(guān)鍵參數(shù)包括臺(tái)風(fēng)的發(fā)生及臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的物理參數(shù)，即臺(tái)風(fēng)年發(fā)生率λ、臺(tái)風(fēng)移動(dòng)方向θ、臺(tái)風(fēng)路徑與模擬點(diǎn)間的最小距離Dmin、臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度Vt、最大風(fēng)速半徑Rmax、臺(tái)風(fēng)中心壓差ΔP，臺(tái)風(fēng)的關(guān)鍵參數(shù)可根據(jù)模擬圓法從臺(tái)風(fēng)歷史記錄數(shù)據(jù)中提取。

臺(tái)風(fēng)年發(fā)生率λ是模擬點(diǎn)的臺(tái)風(fēng)年發(fā)生率，通過(guò)對(duì)模擬圓中各個(gè)年份的臺(tái)風(fēng)發(fā)生次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到。臺(tái)風(fēng)中心氣壓差ΔP是臺(tái)風(fēng)中心氣壓PO與臺(tái)風(fēng)外圍未受到擾動(dòng)的環(huán)境氣壓PE的差值，臺(tái)風(fēng)外圍氣壓PE在西北太平洋一般取為1 010.0 hPa。臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度Vt是臺(tái)風(fēng)中心的移動(dòng)速度，根據(jù)臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)中前后兩次時(shí)間間隔臺(tái)風(fēng)中心位置的坐標(biāo)計(jì)算得到。最小距離Dmin是模擬點(diǎn)與臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑之間的最小距離，其值根據(jù)臺(tái)風(fēng)中心與模擬點(diǎn)的經(jīng)緯度計(jì)算，臺(tái)風(fēng)中心的移動(dòng)方向線在模擬點(diǎn)的左側(cè)時(shí)取正值，在右側(cè)時(shí)取負(fù)值。移動(dòng)方向角θ可由臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)中前后兩次臺(tái)風(fēng)中心位置的坐標(biāo)計(jì)算得到。計(jì)算時(shí)以正北方向?yàn)榱愣龋№槙r(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?，逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)樨?fù)值。

1.2 Georgiou臺(tái)風(fēng)模型原理

(1)

ψg(r,a)=α+θ+90°

(2)

(3)

式中：r為控制點(diǎn)距離臺(tái)風(fēng)中心的距離；θ為臺(tái)風(fēng)移動(dòng)方向；α為控制點(diǎn)偏離臺(tái)風(fēng)移動(dòng)方向的角度；VT為臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度；f為科氏力參數(shù)；P(r)為氣壓；ρ為空氣密度；PO為臺(tái)風(fēng)中心氣壓；PE為環(huán)境氣壓；Rmax為最大風(fēng)速半徑；B為Holland參數(shù)。

1.3 模擬圓半徑

為提取影響臺(tái)風(fēng)的樣本，按照一定方式選擇臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)，常用方法是以控制點(diǎn)為中心繪制一定距離的模擬圓[7]，對(duì)一個(gè)控制點(diǎn)，根據(jù)影響半徑R，記錄通過(guò)模擬圓范圍內(nèi)的所有臺(tái)風(fēng)路徑數(shù)據(jù)，作為影響臺(tái)風(fēng)樣本，由臺(tái)風(fēng)模型提取臺(tái)風(fēng)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行模擬。模擬圓半徑的選取既要考慮到保證模擬進(jìn)行所需的足夠數(shù)據(jù)樣本，又要保持臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)由于地理特性引起的臺(tái)風(fēng)關(guān)鍵參數(shù)差異。根據(jù)研究表明西北太平洋臺(tái)風(fēng)的6級(jí)風(fēng)力的影響半徑約300 km[8]，因此，本文綜合考慮選取臺(tái)風(fēng)影響半徑R為300 km。

2 Georgiou臺(tái)風(fēng)模型模擬驗(yàn)證

2.1 加密控制點(diǎn)選取

本文選取東南沿海地區(qū)為研究對(duì)象。根據(jù)廣東省、福建省海上風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃分布，本文選取24個(gè)加密控制點(diǎn)進(jìn)行臺(tái)風(fēng)影響分析，主要包括閩粵地區(qū)近海、深遠(yuǎn)海海上風(fēng)電場(chǎng)、以及沿海氣象觀測(cè)站點(diǎn)。其中沿海氣象觀測(cè)站點(diǎn)11個(gè)，規(guī)劃、核準(zhǔn)或已建的海上風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域點(diǎn)位13個(gè)。各控制點(diǎn)經(jīng)緯度見(jiàn)表1，各控制點(diǎn)地理位置圖見(jiàn)圖1。

表1 各加密控制點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)表

圖1 各控制點(diǎn)地理位置圖

2.2 熱帶氣旋資料

本文收集熱帶氣旋資料來(lái)自中國(guó)氣象局上海臺(tái)風(fēng)研究所，中國(guó)氣象局熱帶氣旋資料中心(http://tcdata.typhoon.org.cn)，現(xiàn)行版本的CMA熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集提供的1949年以來(lái)西北太平洋(含南海，赤道以北，東經(jīng)180°以西)海域熱帶氣旋每6 h的位置和強(qiáng)度。2017年起，對(duì)于登陸我國(guó)的臺(tái)風(fēng)，在其登陸前24 h時(shí)段內(nèi)，最佳路徑時(shí)間頻次加密為逐3 h一次。2018年起，對(duì)于登陸我國(guó)的臺(tái)風(fēng)，在其登陸前24 h及在我國(guó)陸地活動(dòng)期間，最佳路徑時(shí)間頻次加密為逐3 h一次。為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，本文采用臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)為同化衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)后的時(shí)段，即1970-2018年，共49年。

2.3 Georgiou臺(tái)風(fēng)模型模擬驗(yàn)證

由于東南沿海地區(qū)受北方冷空氣影響較小，各加密控制點(diǎn)年最大風(fēng)速主要受到每年熱帶氣旋的影響，因此可以假設(shè)各加密控制點(diǎn)年最大風(fēng)速僅來(lái)自熱帶氣旋天氣系統(tǒng)。利用Georgiou臺(tái)風(fēng)模型模擬熱帶氣旋過(guò)境時(shí)各控制點(diǎn)的最大風(fēng)速，選取最大的風(fēng)速作為該點(diǎn)的年最大風(fēng)速。通過(guò)11個(gè)沿海氣象站控制點(diǎn)實(shí)測(cè)的近50年年最大風(fēng)速資料，與Georgiou臺(tái)風(fēng)模型模擬的年最大風(fēng)速進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，見(jiàn)圖2，由圖可知，與觀測(cè)資料對(duì)比，模型模擬各站點(diǎn)受熱帶氣旋影響下的年最大風(fēng)速均方根誤差在3.9～7.3 m/s，平均絕對(duì)誤差在2.9～6.3 m/s，模型能夠把握大部分站點(diǎn)年最大風(fēng)速年際變化情況。

圖2 氣象站控制點(diǎn)模擬與觀測(cè)的年最大風(fēng)速時(shí)間序列圖

利用極值Ⅰ型分布擬合求解各氣象站點(diǎn)觀測(cè)和模擬的50年一遇重現(xiàn)期風(fēng)速，見(jiàn)表2。由表可知，大部分站點(diǎn)模型計(jì)算的50年一遇重現(xiàn)期最大風(fēng)速與觀測(cè)差距較小，相對(duì)誤差在4.6%以內(nèi)，絕對(duì)誤差在1.8 m/s以內(nèi)，模型模擬結(jié)果較好。東山站模擬絕對(duì)誤差較大為4.5 m/s，主要由于東山站局地地形較為復(fù)雜，多為山地，Georgiou臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)是一種半經(jīng)驗(yàn)半理論的風(fēng)場(chǎng)模型，無(wú)法考慮復(fù)雜地形特點(diǎn)，因此模擬的風(fēng)速和觀測(cè)的風(fēng)速差異較大。綜合上述，利用Georgiou工程臺(tái)風(fēng)模型模擬各沿海氣象站控制點(diǎn)受熱帶氣旋影響下的年最大風(fēng)速，求解50年一遇最大風(fēng)速，與觀測(cè)數(shù)據(jù)誤差在合理范圍內(nèi)?？紤]海上風(fēng)電場(chǎng)主要位于近海、深遠(yuǎn)海海域，地形平坦，利用Georgiou模型計(jì)算海上風(fēng)電場(chǎng)受熱帶氣旋影響下的重現(xiàn)期最大風(fēng)速較為可靠。

表2 氣象站控制點(diǎn)10 m高度50年一遇重現(xiàn)期最大風(fēng)速模擬與觀測(cè)結(jié)果表

3 東南沿海近海、深遠(yuǎn)海海上風(fēng)電場(chǎng)重現(xiàn)期計(jì)算

3.1 東南沿海近海、深遠(yuǎn)海海上風(fēng)電場(chǎng)熱帶氣旋影響特征

根據(jù)圖3，我國(guó)東南沿海地區(qū)各海上風(fēng)電場(chǎng)控制點(diǎn)平均每年受到3～4個(gè)熱帶氣旋影響，其中臺(tái)灣海峽至粵東地區(qū)，D1-E3(漳州六鰲海上風(fēng)電場(chǎng)至粵東近海深水場(chǎng)址6)海上風(fēng)電場(chǎng)控制點(diǎn)每年熱帶氣旋影響頻數(shù)呈遞增的趨勢(shì)，陽(yáng)江至湛江粵西地區(qū)，H1-I1(陽(yáng)江帆石一海上風(fēng)電場(chǎng)至外羅海上風(fēng)電場(chǎng))海上風(fēng)電場(chǎng)控制點(diǎn)每年熱帶氣旋影響頻數(shù)呈遞減的趨勢(shì)，說(shuō)明影響粵東區(qū)域海上風(fēng)電場(chǎng)的西北路徑熱帶氣旋越來(lái)越頻繁，影響粵西區(qū)域海上風(fēng)電場(chǎng)的西行路徑熱帶氣旋頻次越來(lái)越少。

表3為各海上風(fēng)電場(chǎng)控制點(diǎn)受熱帶氣旋影響等級(jí)分布情況，根據(jù)《熱帶氣旋等級(jí)》(GB/T 19201-2006)規(guī)定，各海上風(fēng)電場(chǎng)自1970-2018年主要受到熱帶風(fēng)暴、強(qiáng)熱帶風(fēng)暴影響為主，兩者占比超過(guò)80%。從總的受熱帶氣旋影響頻次來(lái)看，粵西地區(qū)海上風(fēng)電場(chǎng)要高于粵東地區(qū)、福建地區(qū)。

本文將熱帶氣旋影響持續(xù)時(shí)間定義為進(jìn)入模擬圓范圍內(nèi)熱帶氣旋維持時(shí)間的總和，熱帶氣旋數(shù)據(jù)記錄時(shí)距為6 h，統(tǒng)計(jì)同一熱帶氣旋影響的累計(jì)點(diǎn)數(shù)即可得到該熱帶氣旋影響的持續(xù)時(shí)間。圖4給出了近50年間各海上風(fēng)電場(chǎng)控制點(diǎn)受熱帶氣旋影響持續(xù)時(shí)間分布，由圖可知，海上風(fēng)電場(chǎng)受熱帶氣旋影響持續(xù)時(shí)間分布較廣，影響時(shí)間持續(xù)在24 h左右的熱帶氣旋占比最多。

表3 各海上風(fēng)電場(chǎng)控制點(diǎn)的影響熱帶氣旋等級(jí)表

3.2 東南沿海近海、深遠(yuǎn)海海上風(fēng)電場(chǎng)重現(xiàn)期計(jì)算

本文提取13個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)控制點(diǎn)1970-2018年期間300 km影響半徑內(nèi)的熱帶氣旋記錄，計(jì)算每個(gè)熱帶氣旋對(duì)應(yīng)的臺(tái)風(fēng)關(guān)鍵參數(shù)。Georgiou臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)模型利用臺(tái)風(fēng)關(guān)鍵參數(shù)模擬相應(yīng)臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)，計(jì)算每個(gè)熱帶氣旋過(guò)境時(shí)，相應(yīng)控制點(diǎn)的100 m高度處最大風(fēng)速。海上風(fēng)電場(chǎng)控制點(diǎn)從每年受影響的所有熱帶氣旋的最大風(fēng)速序列中挑選出最大的風(fēng)速作為該控制點(diǎn)的年最大風(fēng)速，進(jìn)而得到每個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)控制點(diǎn)1970-2018年的最大風(fēng)速時(shí)間序列。

圖3 各海上風(fēng)電場(chǎng)控制點(diǎn)的影響熱帶氣旋年際變化圖

圖4 影響熱帶氣旋持續(xù)時(shí)間的頻數(shù)分布圖

根據(jù)海上風(fēng)電場(chǎng)控制點(diǎn)年最大風(fēng)速時(shí)間序列，利用耿貝爾極值分布Ⅰ型推算各海上風(fēng)電場(chǎng)100 m高度處50年重現(xiàn)期和1年重現(xiàn)期的最大風(fēng)速，見(jiàn)表4，根據(jù)IEC-61400標(biāo)準(zhǔn)，東南沿海地區(qū)海上風(fēng)電場(chǎng)控制點(diǎn)受熱帶氣旋影響嚴(yán)重，50年一遇重現(xiàn)期風(fēng)速分布為40.9～52.4 m/s，除汕頭南澳海上風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)安全等級(jí)為Ⅱ類外，大部分海上風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)安全等級(jí)為Ⅰ類，粵東近海深水場(chǎng)址2風(fēng)機(jī)安全等級(jí)為S類。

表4 各海上風(fēng)電場(chǎng)控制點(diǎn)100 m高度處50年和1年重現(xiàn)期的最大風(fēng)速表 m/s

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)搭建Georgiou臺(tái)風(fēng)模型分析了東南沿海海上風(fēng)電場(chǎng)的臺(tái)風(fēng)影響特征，東南沿海海上風(fēng)電場(chǎng)受熱帶氣旋影響嚴(yán)重，各海上風(fēng)電場(chǎng)控制點(diǎn)平均每年受到3～4個(gè)熱帶氣旋影響?；洊|地區(qū)海上風(fēng)電場(chǎng)受熱帶氣旋的頻次呈增加的趨勢(shì)，粵西地區(qū)海上風(fēng)電場(chǎng)則呈減少的趨勢(shì)。影響各海上風(fēng)電場(chǎng)控制點(diǎn)的熱帶氣旋等級(jí)以熱帶風(fēng)暴、強(qiáng)熱帶風(fēng)暴為主，兩者占比超過(guò)80%。熱帶氣旋影響海上風(fēng)電場(chǎng)持續(xù)時(shí)間分布較廣，影響時(shí)間持續(xù)在24 h左右的熱帶氣旋占比最多。

通過(guò)Georgiou模型計(jì)算各海上風(fēng)電場(chǎng)控制點(diǎn)的重現(xiàn)期風(fēng)速，各海上風(fēng)電場(chǎng)50年一遇重現(xiàn)期風(fēng)速分布為40.9～52.4 m/s，根據(jù)IEC-61400標(biāo)準(zhǔn)，除汕頭南澳海上風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)安全等級(jí)為Ⅱ類外，大部分海上風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)安全等級(jí)為I類，粵東近海深水場(chǎng)址2風(fēng)機(jī)安全等級(jí)為S類。